Ветряная турбина#

block — Внешний вид блока в REPEAT VISION#

Блок представляет собой ветряную турбину, которая преобразует движение ветра в механическую энергию вращения. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) используют энергию ветра для выработки электроэнергии.

Данный блок может использоваться как для моделирования отдельных ветряных турбин (для изучения механических характеристик), так и целых ветряных электростанций. Данная модель предназначена для оценки производительности ВЭУ при использовании различных стратегий управления и топологий размещения.

Основными входными величинами являются скорость набегающего ветра v и угол поворота лопастей β. Также возможно дополнительно рассчитать силу тяги, действующую на турбину, и инерцию вала (с возможностью указания начальной угловой скорости).

Блок вычисляет коэффициенты мощности \(C_p\) и силы тяги \(C_t\) (при включенном тумблере Произвести расчет силы тяги) на валу по look-up таблице:

\(C_p = таблица(β_{ref}, λ_{ref}, C_{p_{ref}}, β, λ_{smooth}, интерполяция = линейная, экстраполяция = ближайшая)\);
\(C_t = таблица(β_{ref}, λ_{ref}, C_{t_{ref}}, β, λ_{smooth}, интерполяция = линейная, экстраполяция = ближайшая)\),

где:

\(β_{ref}\) - вектор угла поворота лопасти (длина этого вектора определяет количество строк в таблице);

\(λ_{ref}\) - вектор коэффициента быстроходности (длина этого вектора определяет количество столбцов в таблице);

\(C_{p_{ref}}\) и \(C_{t_{ref}}\) — табличные параметры коэффициента мощности и коэффициента тяги соответственно;

β - угол поворота лопасти;

\(λ_{smooth}\) - сглаженный коэффициент быстроходности;

\(C_p(β,λ)\) - двумерная таблица (матрица), где на пересечении каждой строки (определённый угол β) и каждого столбца (определённое отношение λ) стоит значение коэффициента мощности для этого режима работы;

\(C_t(β,λ)\) - аналогичная таблица для коэффициента тяги.

Примечание

Размерность таблиц: (длина β) × (длина λ).

В процессе расчета блок выполняет двумерную интерполяцию (линейную) по вашей таблице, чтобы найти соответствующие коэффициенты \(C_p\) и \(C_t\) относительно угла поворота лопастей β и сглаженного коэффициента быстроходности \(λ_{smooth}\). Если текущая точка выходит за пределы заданных векторов \(β_{ref}\) или \(λ_{ref}\), используется экстраполяция по ближайшей точки (насыщение).

Блок использует следующее выражение как основу для мгновенного отношения скоростей (1) :

(1)#\[λ=\frac{R \cdot \omega}{\nu}\]

где:

\(R\) - параметр радиуса турбины, [м];

\(\omega\) - угловая скорость вала турбины, [рад/с];

\(\nu\) - скорость набегающего ветра, [м/с].

При вычислении коэффициента быстроходности используется сглаженная версия вышеприведенного уравнения (2) :

(2)#\[λ_{smooth}=\frac{R \cdot \omega}{\sqrt{\nu^2+\nu^2_{thr}}}\]

где \(\nu_{thr}\) - порог скорости ветра.

Блок использует следующие уравнения как основу для расчета мощности и тяги (3) :

(3)#\[\begin{split}P=\frac{1}{2} \cdot C_p \cdot \rho \cdot A \cdot \nu^3\\ F_t=\frac{1}{2} \cdot C_t \cdot \rho \cdot A \cdot \nu^2\end{split}\]

где:

\(P\) - мощность, [Вт];

\(F_t\) - сила тяги, [Н];

\(\rho\) - плотность воздуха, [кг/м\(^3\)];

\(A\) - площадь, ометаемая лопастями турбины, [м\(^2\)].

Блок использует численно сглаженные уравнения для тяги, мощности и крутящего момента (4) :

(4)#\[\begin{split}P=\frac{\rho \cdot A \cdot C_p \cdot |\nu|^3}{2}\\T_{smooth}=\frac{P}{\sqrt{\omega^2+\omega^2_{thr}}}, если \omega > 0, при\hspace{2mm} \omega <-\omega_{thr} \implies T_{smooth}=0\\ P_{smooth}=T_{smooth} \cdot \omega\\F_{tsmooth}=\frac{1}{2}\cdot C_t \cdot \rho \cdot A \cdot \nu^2\end{split}\]

где \(\omega_{thr}\) - порог угловой скорости вала ротора.

Примечание

Когда \(\omega < \omega_{thr}\), блок плавно снижает мощность до нуля.

Генерируемая мощность равна нулю, когда скорость вращения ротора равна или меньше нулю, а ненулевое значение \(C_p(λ=0)\) значительно влияет на пусковой крутящий момент. Выражение пускового момента следующее (5) :

(5)#\[T_{start}=\frac{\rho \cdot A \cdot C_p \cdot |\nu|^3}{2 \cdot \omega_{thr}}\]

1. Свойства#

Свойство	Значение по умолчанию	Описание	Единицы измерения
Радиус ротора	80.0	-	м
Вектор угла поворота лопастей β	0.0;3.0;5.0;10.0;20.0;90.0	-	градусы
Вектор коэффициента мощности λ	0.0;2.0;4.0;6.0;8.0;10.0;12.0;14.0;15.0	-	-
Таблица коэффициента мощности \(C_p(β,λ)\)	<0.001;0.0161;0.1446;0.3865;0.5009;0.4404;0.2545;2.0E-4;-0.1384><0.0016;0.0173;0.1079;0.2676;0.3779;0.4111;0.3838;0.3176;0.2753><0.0027;0.0197;0.1151;0.2606;0.3469;0.3558;0.3069;0.2222;0.1718><0.0054;0.0283;0.1315;0.2364;0.2589;0.2022;0.0929;-0.0455;-0.1204><0.0109;0.0536;0.132;0.1256;0.012;-0.1752;-0.4017;-0.6435;-0.7655> _<-0.01;-0.01;-0.01;-0.01;-0.01;-0.01;-0.01;-0.01;-0.01>	-	-
Порог угловой скорости ротора	0.01	-	рад/с
Порог скорости ветра	0.01	-	м/с
Плотность воздуха	1.225	-	кг/м\(^3\)
Произвести расчет силы тяги	выкл	-	-
Таблица коэффициента силы тяги \(C_t(β,λ)\)	<0.0;0.2451;0.674;0.9616;1.0;0.9882;0.843;2.0E-4;-0.1341> <0.0016;0.2541;0.5942;0.8582;0.9561;0.9754;0.9599;0.9092;0.8669> <0.0027;0.2705;0.6113;0.8503;0.9339;0.9407;0.8993;0.8016;0.7239><0.0054;0.3215;0.6475;0.8205;0.8482;0.7727;0.5565;-0.045;-0.1171><0.2035;0.4335;0.6485;0.6348;0.2129;-0.1684;-0.3701;-0.5712;-0.6681> _<-0.05;-0.05;-0.05;-0.05;-0.05;-0.05;-0.05;-0.05;-0.05>	Доступно, когда `Произвести расчет силы тяги` - `вкл`	-
Учесть момент инерции вала турбины	выкл	-	-
Момент инерции ротора	0.75	Доступно, когда `Учесть момент инерции вала турбины` - `вкл`	кг\(\cdot\)м\(^2\)
Начальная угловая скорость	0.0	Доступно, когда `Учесть момент инерции вала турбины` - `вкл`	рад/с

2. Входы и выходы#

Параметры	Вход/Выход	Описание	Единицы измерения	Тип порта
Скорость ветра \(\nu\)	Вход	-	м/с	Автоматика
Угол поворота лопастей β	Вход	-	градусы	Автоматика
Сила тяги	Выход	Доступен, когда `Произвести расчет силы тяги` - `вкл`	Н	Автоматика
Вал ротора	Выход	-	-	Вращательное движение

Для того, чтобы посмотреть возможности подключения блока необходимо перейти на страницу Описание портов блоков